DE3319150A1

DE3319150A1 - Waermepumpenaggregat

Info

Publication number: DE3319150A1
Application number: DE19833319150
Authority: DE
Inventors: Josef 8890 Aichach Gail
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-05-26
Filing date: 1983-05-26
Publication date: 1984-11-29

Description

Klausenweg *

8890 Aichach/Unterwittelsbach

Beschreibung

Wärmepumpenaggregat

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe, welche mit Primärenergie über eine Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird und mit der Verbrennungskraftmaschine in einem Block zusammengebaut ist. Wie bekannt wird dabei ein herkömmlicher modifizierter Diesel- oder Ottomotor verwendet.

Zum Antrieb einer Wärmepumpe werden an den Motor Anforderungen gestellt, welche herkömmliche Motoren nicht befriedigend erfüllen. So konnten bisher Wärmepumpen mit dem wirtschaftlichen Betrieb mit Primärenergie für Wohnhausheizungsanlagen nicht eingesetzt werden. Es verursachen aber bekanntlich Wohnhausheizungsanlagen beim Verbrennen von Öl erhebliche Luftimmissionen.

eier vorliegenden Erfindung ist ein Wärmepumpenäggregat, das mit Primärenergie angetrieben für Wohnhausheizungsanlagen geeignet ist. Ein derartiges Aggregat Itmß für eine erhebliche Betriebsstundenzeit ausgelegt s«in, muß wartungsfrei sein und soll in der Baugröße Klein sein, weil bei hohem Energiedurchsatz teure Wärmespeicher erforderlich sind. Ebenso erfordern große Aggregate erhebliche Schallschutzmaßnahmen und. einen hohen Bauaufwand.

Die Erfindungsaufgabe wird mit einem Wärmepumpenaggregat gelöst, dessen Aufbau sich aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches ergibt.

Durch Anwendung der an sich bekannten Motorenbauart als Doppelkolben mit einer Taumel- oder Kurvenscheibe zum erfindungsgemäßen Wärmepumpenaggregat können die gestellten Anforderungen erfüllt werden.

Die zwei Gegenkolben ergeben zwei Kolbenrückseiten mit Pumpmöglichkeit. Erfindungsgemäß wird eine davon als Wärmepumpe und die andere als Spülpumpe für den Betrieb des Motors als Zweitaktmotor verwendet.

Mit der Hublänge der Motorstirnfläche der Kolben ergibt «ich zwangsläufig der Pumpenhub. Zur Anpassung der Pumpleistung sind die Kolben als Stufenkolben mit größerer Pumpkolbenstirnfläche ausgebildet.

Bei der Gegenkolbenanordnung mit Taumel- oder Kurvenscheibe nach der Erfindung ist diese besonders vorteilhaft,'weil »ie eine wartungsfreie Verbrennungskraftmasche ohne Ventilsteuerung und ohne Zylinderkopf bei niedriger Kolbengeschwindigkeit ergibt.

Di· Expansionsarbeit der Verbrennungsgase wird weitgehend ohne vorherige Umwandlung in eine Drehbewegung linear auf die Pumpkolben übertragen.

Dadurch hat die Trieb-werkVelle mit der Kolbenanbindung geringere Kräfte aufzunehmen.

Ohne größeren zusätzlichen . Bauaufwand für Gehäuse, Lagerung und Schmierung ist die Wärmepumpe im Motorblock integriert.

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Die Massenkräfte der Kolben sind gegeneinander gerichtet und heben sich auf.

Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal ist in der Zentrumsachse der Kolben ein Kreuzdrehgelenk angeordnet, welches einerseits über eine Achse mit der Taumelscheibenlagerung in Wirkverbindung steht und andererseits über eine Schwinge am Kolbenboden angehängt ist.

Die sich zwangsläufig „ergebende Abstandsverschiebung der Taumelscheibe gegenüber dem Kolben wird dadurch ausgeglichen. Es können dadurch störungsanfällige Kugelkopflagerungen oder Lagerstellen mit gleichzeitiger Linearverschiebung verhindert werden.

Zur Umsetzung der Längsbewegung in eine Drehbewegung oder umgekehrt muß der Außenring des Taumelscheibenlagers am Drehen gehindert sein. Erfindungsgemäß ist zu diesem Zweck am Außenring ein Achstaumel angebracht, welcher in Ver-" -längerung der Kolbenanbindungsachse in Achsrichtung den gemeinsamen Mittelpunkt der Taumelscheibenlagerung und der Trieb-werlTwelle schneidet.

An diesem Achstaumel ist ein Gleitstück gelagert, welches sich, an seitlichen Führungslfächen am Gehäuse abstützt und somit den Außenring an einer Drehbewegung hindert. Das sich oszillierend bewegende Gleitstück kann im Material und in der Größe so ausgelegt sein, daß hohe Kräfte im Dauerbetrieb aufgenommen werden können. Zudem sind die seitlichen Führungsflächen im Bereich der Ölwanne, können mit Tauchschmierung versorgt werden und können von außen ohne Maschinendemontage nachgestellt werden.

Diese motortechnischen Merkmale sind nicht auf das Ausführungsbeispiel des beschriebenen Wärmepumpenaggregats beschränkt, so können bei Verwendung einer anderen Spüllufteinrichtung oder im Viertaktbetrieb auch beide Kolbenrückseiten als Wärmepumpenverdichter eingesetzt werden. Ebenso ist die Kolbenverbindung mit der Taumelscheibe und die Taumelscheibenführung bei anderen Ausführungsformen anwendbar.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird bei Anwendung der Dieselinotorarbeitsweise das Warmepumpenaggregat mit nur einer Zylinderbohrung, welche im Durchmesser stufenweise abgesetzt ist, ausgeführt,. weil für einen Pieselmotorbetrieb mit geringer Luftimmission das Hubraumvolumen nicht zu klein sein darf. Dieses Hubvolumen ergibt aber als Warmepumpenaggregat schon einen relativ hohen Energiedurchsatz.

In Ausgestaltung der Erfindung ist deswegen mit der Triebi-werl&velle ein Stromgenerator gekoppelt.

Mit der beim Wärmepumpenbetrieb überschüssigen Energie wird Strom erzeugt, mit welchem Brauchwasser höher, wie beim normalen Heizungsbetrieb aufgeheizt wird.

Mit dem gekoppelten Stromgenerator kann auch der Spitzenbedarf der Heizung abgedeckt werden.

Ein teurer Netzanschluß oder ein zusätzlicher Brenner für nur wenige kalte Tage erübrigt sich dadurch. Gleichzeitig kann ein derartiges Warmepumpenaggregat die Aufgabe eines Notstromaggregats übernehmen.

Zweckmäßig ist der Läufer des Stromgenerators als Schwungscheibe für den Verbrennungsmotor ausgelegt.

Bei der Ausführung mit einer Zylindereinheit befindet sich diese achsparalell in einem Motorblock senkrecht über der waagrecht verlaufenden Triebwerkswelle und darunter eine Schmierölwanne mit Schmier ölpumpe.

Für größere Anlagen können auch mehrere Zyliiidereinheiten radial um die Trielrwerkswelle herum angeordnet sein.

Bevorzugt ist dabei die Anordnung von drei Einheiten im Abstandswinkel von 12o Grad, wobei eine Einheit senkrecht über der Triebwerkswelle angeordnet ist. Bei dieser Anordnung ist der Ölablauf aus allen Einheiten zur senkrecht unter der Triebwerkswelle befindlichen Ölwanne möglich.

Ein besonders zweckmäßiger Aufbau ergibt sich daraus, daß die Hauptlager für die Triebwerkswelle und die

Zylinderbohrungen für die Pumpkolben je in einem stirnseitigen Gehäusedeckel des Motorblockes untergebracht sind.

Vor dem Aufsetzen oder nach Abnahme der seitlichen Gehäusedeckel sind alle Triebwerks- und Pumpteile zum Zusammenbau oder Austausch sehr gut zugänglich.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel des Wärmepumpenaggregats mit erfindungsbedeutsamen Einzelheiten anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 · ein Wärmepumpenaggregat nach der Erfindung in einem Axialschnitt

Fig. 2 einen Querschnitt des Aggregats bei der Linie A - B in der Fig. 1

Fig. 3 einen Querschnitt eines Aggregats mit drei Arbeitseinheiten

Fig. 4 einen Ausschnitt im Kolben mit Schnittdarstellung der Taumelscheiben-Kolbenverbindung

Fig. 5 in Schnittdarstellung eine Gleithahnführung zur Verhinderung der Drehung des Taumelscheibenaußenringes

In einem Maschinengehäuse 1 ist in einem Mittellagcr und zwei Seitenlagern 3, ^ eine Triebwerkswelle 5 aufgenommen. An der Triebwerkswelle 5 sind im Winkelbereich von 15 - 2o Grad zur Triebwerksachse zwei Lagerstellen 6 und 7 für zwei Taumelscheiben 8 und 9 angebracht. Achsparalell befindet sich über der Triebwerkswelle ein Arbeitszylinder Io mit. zwei Kolben 11 und 12 in einer bekannten Doppelkolbenanordnung. Die beiden einander gegenüberliegenden inneren Kolbenstirnflächen 13 und lk verändern den Arbeitsraum eines Zweitakt-

dieselmotores, welchem mit einer Einspritzdüse 15 wjw ' ^ ' Notorbetrieb Dieselöl zugeführt wird. Der besseren Übersicht wegen ist die Motorsteuerung, welche zweitaktüblich über Ein- und Auslaßschlitze erfolgt, nicht dargestellt.

Die äußere Kolbenstirnfläche l6 des Kolbens 11 wirkt mit seinem Arbeitsraum 17 als Spülpumpe für den Zweitaktmotorbetrieb. V/eil die Hublänge nur eines Kolbens dafür zur Verfugung steht, ist der Durchmesser des Arbeitsraumes 17 entsprechend groß und der Kolben als Stufenkolben ausgeführt.

Beim Ventil l8 wird Frischluft angesaugt und über eine Öffnung 19 zu den Einlaßschlitzen geschoben. Mit der äußeren Kolbenstirnfläche 2o des Kolbens 12 xvird im Arbeitsraum 21 über ein Ansaugventil 22 Kältemittel angesaugt, verdichtet und über das Ventil 23 in den Wärmetauscherkreislauf gefördert.

Zum Erreichen eines entsprechenden Pumpvolumens kann der Kolben 12 ebenfalls als Stufenkolben ausgeführt sein.

Der Arbeitsdruck der Verbrennungsgase zwischen den Kolbenstirnflächen 15 und 14 wird dabei zu einem großen Teil linear ohne Triebwerksbelastung in Verdichtungsarbeit umgesetzt.

Die Verbindung zwischen Kolben und Taumelscheibe besteht, wie auch aus der Fig. *± ersichtlich, aus einer Schwinge 24, welche mit einem Ende mit dem Kolbenbolzen 25 verbunden ist und im anderen Ende ein Kreuzdrehgelcnk 26 eingebaut ist.

Das im Innenraum des Kolbens sich befindliche Kreuzdrehgelenk 26 besteht aus einem parallel zum Kolbenbolzen gelagerten Drehbolzen, in dem in einem quer zur Bolzenachse verlaufenden Lager eine Kolbenanbindungsachse 27, welche vom äußeren Taumelscheibenring 2o absteht, aufgenommen ist.

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Die sieb, aus dem Taumelscheibentrieb ergebende Bewegung des Kreuzdrehgelenks wird durch die Schwinge 24 bei bedeutungslosem Seitendruck auf den Kolben als Linearverschiebung übertragen.

Ein zweifach wirkender Kolben 11 kann auch aus zwei Teilen bestehen, welche beide mit einer Schwinge 24 an einem Kreuzdrehgelenk 26 angehängt sind.

Beim Umsetzen der Längsbewegung'der vom äußeren Taumelscheibenring 2<> abstehenden Kolbenanbindungsachse 27 in eine Drehbewegung der Triebwerkswelle 5 oder umgekehrt würde sich der Außenring mitdrehen.. Um dieses zu verhindern, ist vorteilhaft in senkrechter Verlängerung an einem zur Kolbenanbindungsachse 27 angebrachten, vom Außenring 2ο abstehenden Achsstummel 29 ein Gleitstück 3 ο gelagert, welches sich über seitliche Führungsflächen 31 am Gehäuse 1 abstützt. Zur Vermeidung von Seitenverschiebungen muß die Achsrichtung der Kolbenanbindungsachse 27 und des Achsstummels 29 den gemeinsamen Mittelpunkt 32 der Taumelscheibenlagerung und Triebwerkswelle schneiden.

Um einen ruhigen Triebwerkslauf zu erreichen, darf das Gleitstück 5o zwischen den Führungsflächen 31 bei seiner oszillierenden Bewegung seitlich nur einen sehr geringen Spielraum haben. Es sind deswegen die Führungsflächen 31 ■ über eine Keilanlage31a im Abstand einstell- und bei Abnutzung über eine Längsverschiebung nachstellbar. Die Längsverschiebung erfolgt über von außen zugängliche Stellschrauben 33.

Die Zylinder-Kolbeneinheit Io, 11, 12 befindet sich senkrecht über der Triebwerkswelle 5 und darunter eine Ölwanne 34, in derem Olstandsbereich die seitlichen Führungsflächen 31 mit dem Gleitstück 3o angeordnet sind.

Bei größeren Aggregaten sind, wie aus der Fig. 3 ersichtlich, vorteilhaft zwei weitere Zylinder-Kolbeneinheiten 35 und 36 im Winkel von 12o Grad von der über der Triebwerkswel^e befindlichen Einheit Io angeordnet.

Pas Maschinengehäuse 1 ist stirnseitig je mit einem angeschraubten 37 Gehäusedeckel 38, 39 verschlossen. Im Gehäuaetfeckel ist die Zylinderbohrung 17 bzw. 21 und das Seitenlader -2 bzw. ^ für die Triebwerkswelle untergebracht.

Am Ende 4o der Triebwerkswelle 5 ist eine relativ große Schwungscheibe 4l angebracht, welche gleichzeitig als Stromgenerator ausgebildet ist.

Im Innenraum der Schwungscheibe 4l sind die entsprechenden. Wicklungen angeordnet, wobei zur Erreichung einer wirkungsvollen Schwungmasse die Lauferwicklung 42 außenliegend die Statorwicklung kj> umkreisend angeordnet sein kann.

Die Abdeckung 44 des Stromgenerators ist mit dem Gehäusedeckel 3% im Aufbau zusammengefaßt.

- Leerseite-

Claims

Gail Josef *" '

Klausenweg 4 ^ 9 1 Q 1 R Γ)

Aichach/Unterwittelsbach O O-\ Ό I OU

PATENTANMELDUNG

Wärmepumpenaggregat

Patentansprüche:

( 1) ) Wärraepumpenaggregat, umfassend eine Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem Arbeitszylinder, dessen Kolben auf der gleichen Triebwerkswelle wie der Pumpkolben einer Wärmepumpe angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß achsparalell zu einer Triebwerkswelle (5) mit Taumel- oder Kurvenscheiben (8, 9) in einem Arbeitszylinder (lo) zwei gegenläufige Kolben (ll, 12) angeordnet sind, dabei die einander gegen-' überliegenden inneren Kolbenstirnflächen (13, lA) als Verbrennungsmotor arbeiten und die rückseitige Stirnfläche (2o) wenigstens eines Kolbens (12) als Verdichter einer Wärmepumpe (21) arbeitet.
2) Wärmepumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rückseitige Stirnfläche (2o) des
Kolbens (12) als Verdichter einer Wärmepumpe (2l) Und die Rückseite (l6) des anderen Kolbens (ll) als Spülpumpe (17) eines Zweitaktmotors arbeitet·
3) Wärmepumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Kolbenrückseiten (2o, l6) als Verdichter einer Wärmepumpe arbeiten.
k) Wärmepumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (11, 12) als Stufenkolben
ausgeführt sind.
5) Wärmepumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum des Kolbens (ll) eine
Schwinge (2'i) angeordnet ist, welche mit dem Kolbenbolzen (25) und einem Kreuzdrehgelenk (26) verbunden ist.
6) Wärmepumpenaggregat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kolbenhälften mit zwei Schwingen (2k) an einem Kreuzdrehgelenk angehängt sind.
7) Wärmepumpenaggregat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, da?, das Kreuzdrehgelenk (26) aus einem Drehbolzen besteht, in dem in einem quer zur Bolzenachse verlaufenden Lager eine Kolbenanbindungsachse (27)
aufgenommen ist, welche mit dem äußeren Taumelscheibenring (28) verbunden ist.
8) Wärmepumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einem vom äußeren Taumelscheibenring (28) abstehenden Achsstummel (29) ein Gleitstück (5o) gelagert ist.
9) Wärmepumpenaggregat nach Anspruch Γ, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitstück (3o) zwischen Führungsflächen (31) am Gehäuse (l) geführt ist.
10) Wärmepumpenaggregat nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsflächen (51) über eine Keilanlage (31 a) ein- und nachstellbar sind.
11) Wärmepumpenaggregat nach Anspruch Io, dadurch gekennzeichnet, daß das Nachstellen der Führungsflächen (31) über von außen zugänglichen Stellschrauben (33) erfolgen kann.
12) Wärmepumpenaggregat nach Anspruch P₁ dadurch gekennzeichnet, daP das Gleitstück (3o) mit den Führungsflächen (31) im Ölstandsbereich der ölwanne (3^) angeordnet ist.
13) Wärmepumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder-Kolbeneinheit (lo, 11, 12) sich senkrecht über der Triebwerkswelle (5) befindet und darunter eine Ölwanne (3^i) angeordnet ist.
Wärmepumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei weitere Zylinder-Kolbeneinheiten
(35-und 36) im Winkel von 12o Grad von der über der
Triebwerkswelle (5) befindlichen Einheit (lo) angeordnet sind.
15) Warmepumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Maschinengehäuse (l) stirnseitig je ein Gehäusedeckel (38, 39) angeschraubt (37) ist, in welchem sich die Zylinderbohrung (17 bzw. 21) und das Seitenlager (2 bzw. 3) befindet.
Wärmepumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Ende (4o) der Triebwerkswelle (5) eine Schwungscheibe (4l) angebracht ist, welche gleichzeitig als Stromgenerator ausgebildet ist.
17) Wärmepumpenaggregat nach Anspruch l6, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferwicklung (42) die Stator-■wicklung (45) umkreisend angeordnet ist.
18) Wärmepumpenagffregat nach Anspruch l6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (44) des Stromgenerators (4l) mit dem Gehäusedeckel (39) im Aufbau zusammengefaßt ist·